焉恒琦,金日,朱衛(wèi)紅*,王宗明,,毛德華

(1.延邊大學 地理與海洋科學學院 濕地生態(tài)功能與生態(tài)安全重點實驗室,吉林 延吉 133002；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室,吉林 長春 130102)

0 引言

近年來，隨著城市化與工業(yè)化進程不斷地加快，土地的生態(tài)問題日益突出，因此土地生態(tài)安全問題受到人們的關注.生態(tài)足跡(ecological footprint)理論最早由W.E.Rees[1]提出，該理論可對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展進行定量測算，且計算簡單，因此該理論常被學者用以預測某一國家或地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展程度.2000年，張志強等[2]首次將生態(tài)足跡的概念引入國內(nèi)，并隨后利用該理論對2000年中國西部12省(區(qū)市)的生態(tài)足跡[3]和甘肅省1998年的生態(tài)足跡[4]進行了研究.隨著生態(tài)足跡理論的不斷應用，一些學者發(fā)現(xiàn)利用生態(tài)足跡理論研究土地生態(tài)承載力時會存在一些問題，如生物生產(chǎn)性面積的確定以及均衡因子和產(chǎn)量因子的選取等.為此，研究者對生態(tài)足跡理論的相關參數(shù)進行了優(yōu)化.例如：熊德國等[5]利用生產(chǎn)性生態(tài)足跡測算了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，并明確區(qū)分了生產(chǎn)性與消費性的生態(tài)足跡；顧曉薇等[6]利用國家公頃代替全球公頃對沈陽市的生態(tài)足跡進行了計算與分析；劉某承等[7-8]利用凈初級生產(chǎn)力計算了我國的均衡因子和產(chǎn)量因子等.上述優(yōu)化方法不僅完善了生態(tài)足跡理論，也使得該方法的評價結果更為客觀合理.

2006年，趙先貴等[9]首次提出了生態(tài)壓力這一概念，該概念可以很好地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的承壓程度.2013年，黃海等[10]依據(jù)生態(tài)足跡理論并結合生態(tài)壓力指數(shù)對重慶市合川區(qū)的土地生態(tài)安全狀況進行了評價，結果表明采用生態(tài)足跡理論進行區(qū)域土地生態(tài)安全評價是科學有效的.基于此，本文以琿春市為研究對象，利用生態(tài)足跡模型并結合RS與GIS，定量計算2006年和2017年琿春市的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，并對其土地生態(tài)安全狀況進行評價，以期為琿春市的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

琿春市位于吉林省東部(東經(jīng)130°03′～131°18′，北緯42°25′～ 43°30′)，地處中、朝、俄三國交界，如圖1所示.琿春市的地貌主要包括山地、丘陵、盆地3個梯度[11]，其東、南和北部以山地為主，主要分布的是針葉林和針闊混交林，西部是琿春河沖積平原[12].琿春市作為我國唯一處在中、朝、俄交界的邊境城市，目前已成為東北亞地區(qū)合作的重要平臺.

圖1 研究區(qū)的地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)通過以下方式獲取:①選取2006年和2017年的Landsat TM/OLI遙感影像(表1)作為本研究中土地覆被信息提取的基礎數(shù)據(jù)源，影像在美國地質(zhì)勘探局(USGS)官方網(wǎng)站(http：//glovis.usgs.gov/)下載獲得.遙感解譯所選用的影像均為所對應的年份(5月下旬到9月).②通過琿春市統(tǒng)計年鑒、統(tǒng)計公報和中國統(tǒng)計年鑒獲取生物資源和能源資源消費數(shù)據(jù)以及人口等數(shù)據(jù).③均衡因子和產(chǎn)量因子均參考相關文獻獲取.

表1 所用遙感影像的信息

獲得遙感影像數(shù)據(jù)后，首先對其進行預處理，包括輻射校正、大氣校正.預處理通過ENVI 5.3的Radiometric Calibration工具和FLAASH工具實現(xiàn).完成預處理后以1∶5萬地形圖為基準，對遙感影像進行幾何糾正，并將誤差控制在1個像元以內(nèi).最后根據(jù)研究區(qū)的范圍對影像進行拼接和裁剪.參照國家土地覆被圖集的分類系統(tǒng)[13]并結合本研究目的，確定本研究區(qū)的土地覆被分類系統(tǒng).確定的系統(tǒng)包括林地、草地、耕地(旱地和水田)、建設用地(居住地和交通用地)、水域(河流、湖泊、水庫、坑塘、運河與水渠)、化石能源用地與其他用地共7種類型.因其他土地類型包含的是沒有生產(chǎn)能力的土地，如沙地、裸土等，因此本文在研究中不考慮該土地類型.

2 研究方法

2.1 分類方法與驗證

分類土地覆被數(shù)據(jù)時，首先運用e Cognition Developer 9.0軟件中的面向對象功能以及目視解譯的分類方法，并結合NDVI、NDWI和NDBI等指數(shù)，得到2017年琿春市土地覆被的初步結果；然后通過對初步結果進行驗證和修改，得到最終的2017年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù)；最后對照2006年琿春市Landsat TM遙感影像修改最終的2017年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù)，以此得到最終的2006年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù).本文采用實地考察得到的GPS驗證點和采樣點分別對2006年和2017年的最終土地覆被數(shù)據(jù)進行精度檢驗.

2.2 生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型包括生態(tài)足跡和生態(tài)承載力兩部分.其中生態(tài)足跡能較好地揭示地區(qū)人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展之間的關系，還可判斷城市可持續(xù)發(fā)展的程度.計算生態(tài)足跡時，需確定絕大多數(shù)消費資源及其產(chǎn)生廢棄物的量，然后將其轉換成相應的生物生產(chǎn)性面積[14].生態(tài)足跡的計算公式[15]為

式中：EF為總的生態(tài)足跡，N為人口數(shù)，ef為人均生態(tài)足跡，ct為第t種消費品的消費量，pt為第t種消費品全國年平均生產(chǎn)量，t為消費品和所投入的類型，rk為第k類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子.

2.3 生態(tài)承載力模型

生態(tài)承載力是指一個地區(qū)所能提供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的總和，即一個地區(qū)環(huán)境所能承受來自人類生活壓力的閾值，是生態(tài)足跡理論的核心內(nèi)容之一[16].依據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會報告，計算生態(tài)承載力時，需至少要留出12%的生物生產(chǎn)性土地面積來保護生物多樣性.生態(tài)承載力的計算公式為

EC=(1-12%)×N×ec=

式中:EC為生態(tài)承載力，N為人口數(shù)，ec為人均生態(tài)承載力，ai為第i類生物生產(chǎn)性人均土地面積，yk為第k類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子.

2.4 生態(tài)壓力指數(shù)模型

生態(tài)壓力指數(shù)(ecological tension index)是某一國家或地區(qū)可更新資源的人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的比值，表示生態(tài)環(huán)境承載壓力的程度[17].因化石能源屬于不可再生能源，所以本文不將化石能源列入計算生態(tài)壓力指數(shù)范圍內(nèi).生態(tài)壓力指數(shù)的計算公式為

ETI=ef/ec.

式中:ETI表示生態(tài)壓力指數(shù)，ef表示人均生態(tài)足跡，ec表示人均生態(tài)承載力.ETI指數(shù)越大，表明該地區(qū)的土地生態(tài)壓力越大，土地生態(tài)安全性越差；反之，表明土地生態(tài)安全性越好.本文根據(jù)文獻[18]對生態(tài)壓力指數(shù)進行等級劃分，如表2所示.

表2 生態(tài)壓力指數(shù)等級的劃分標準

3 結果與分析

3.1 土地覆被分類結果

利用GPS驗證點和采樣點等數(shù)據(jù)分別對2006年和2017年的土地覆被數(shù)據(jù)進行混淆矩陣檢驗顯示，2期的土地覆被數(shù)據(jù)的總體精度、用戶精度和生產(chǎn)者精度均在85%以上，且kappa系數(shù)為0.88.上述結果表明，本文所用的土地覆被數(shù)據(jù)的精度可以滿足研究需要.2006年和2017年的琿春市土地覆被空間格局如圖2所示.

圖2 2006年和2017年的琿春市土地覆被空間格局

3.2 琿春市土地生態(tài)承載力評價

3.2.1均衡因子與產(chǎn)量因子的確定 由于不同生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)力不同，因此計算生態(tài)足跡時，需將不同生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)力轉換為有可比性的生物生產(chǎn)性的土地面積，轉換過程中使用的參數(shù)即為均衡因子[19].根據(jù)琿春市的土地生產(chǎn)狀況，本文采用劉某承等[7]提出的中國均衡因子計算琿春市的生態(tài)足跡.

由于區(qū)域內(nèi)各土地類型與消費項目的生產(chǎn)能力不同，為保持生產(chǎn)能力與供給能力測算的一致性，本文利用均衡因子和產(chǎn)量因子將其轉化為生態(tài)承載力,其中產(chǎn)量因子采用劉某承等[7]根據(jù)全國不同生態(tài)系統(tǒng)NPP 測算出的產(chǎn)量因子.

3.2.2生態(tài)足跡的計算結果及分析 生態(tài)足跡主要包括生物資源消費、能源消費和貿(mào)易調(diào)整3個部分，但因進出口所占生態(tài)足跡的比例較小，且數(shù)據(jù)存在缺失，所以本文不考慮貿(mào)易調(diào)整部分.根據(jù)琿春市的統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報，琿春市的生物資源消費主要有農(nóng)產(chǎn)品、動物產(chǎn)品、林產(chǎn)品和水產(chǎn)品，其中每一部分又包括不同的消費項目，結果如表3和表4所示.為減少誤差，計算生態(tài)足跡時本文采用全國平均產(chǎn)量，并以世界上單位化石能源土地面積的平均發(fā)熱量為標準，將能源消費(原煤和發(fā)電)折算成相應的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，結果如表3和表4所示.將計算得出的生物能源消費的生態(tài)足跡和能源消費的生態(tài)足跡進行匯總，得到琿春市2006年和2017年的人均生態(tài)足跡，如表5所示.

由表3和表4可知：在耕地類型中，禽蛋的消費最多，其人均生態(tài)足跡在2006年和2017年分別為1.907 7 hm2/人和0.633 0 hm2/人；其次為豬肉，分別為0.560 5 hm2/人和0.300 5 hm2/人.在草地類型中，牛肉的消費最多，2006年和2017年的人均生態(tài)足跡分別為0.745 9 hm2/人和0.505 1 hm2/人；其次是羊肉，分別為0.044 6 hm2/人和0.031 3 hm2/人.原煤為琿春市人均生態(tài)足跡中最大的消費項目，2006年和2017年分別為6.575 3 hm2/人和9.934 2 hm2/人.其原因一是冬季供暖需要消耗大量煤炭，二是工業(yè)對原煤的需求量較大.

表3 2006年琿春市生物資源與能源資源的消費情況

表4 2017年琿春市的生物資源與能源資源的消費情況

表5顯示，2006—2017年琿春市的人均生態(tài)足跡需求呈增加的趨勢，即從2006年的10.116 hm2/人增加到2017年的11.667 hm2/人(年均增加0.141 hm2/人)，提高了13.29%，增速約為1.21%.該結果表明琿春市的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)足跡需求呈正相關.在6種生態(tài)生產(chǎn)性土地類型中，增幅最大的為化石能源用地與建筑用地，其原因是城市化進程增加了對化石能源用地和建筑用地的需求；其次是水域和林地，但增幅不大.耕地與草地的人均生態(tài)足跡呈下降趨勢，其中耕地的人均生態(tài)足跡由2006年的2.665 hm2/人，降到2017年的1.119 hm2/人，降幅達到58.01%，該結果可能與2017年一些農(nóng)作物的減產(chǎn)有關；草地的人均生態(tài)足跡由2006年的0.817 hm2/人降到2017年的0.538 hm2/人，降幅達到34.15%，該結果可能與政府實施的生態(tài)環(huán)境保護政策相關.

表5 2006年和2017年琿春市的生態(tài)足跡

3.2.3生態(tài)承載力的計算分析 由表6和表7可以看出，琿春市的土地生態(tài)承載力由2006年的2.89 hm2/人下降到2017年的2.76 hm2/人，降幅為4.50%(年均降幅為0.41%).從各土地類型占生態(tài)承載力的比例來看，11年間琿春市林地與耕地的人均生態(tài)承載力的所占比例略呈下降趨勢(年平均分別下降為0.009 hm2/人和0.003 hm2/人)，但林地和耕地一直占琿春市生態(tài)承載力的95%以上；建設用地和草地在11年間呈增長趨勢，但增加的不明顯.11年間琿春市的水域呈下降趨勢，但下降趨勢較弱.以上數(shù)據(jù)表明琿春市的人均生態(tài)承載力系統(tǒng)呈略微下降趨勢，但仍處于可控狀態(tài).琿春市人均生態(tài)承載力系統(tǒng)下降的原因主要是由建筑用地和人口增加所致.

表6 2006年琿春市的生態(tài)承載力

表7 2017年琿春市的生態(tài)承載力

3.3 生態(tài)壓力指數(shù)的分析

利用琿春市人均生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的數(shù)據(jù)，計算琿春市的生態(tài)壓力指數(shù).計算結果顯示，2006年的生態(tài)壓力指數(shù)為1.23，2017年的生態(tài)壓力指數(shù)為0.63.由表2可知，琿春市的土地生態(tài)安全已從2006年的較為不安全轉變?yōu)?017年的較為安全.琿春市的土地生態(tài)安全轉好的原因與琿春市政府近年來實施的環(huán)境保護政策及2017東北虎豹國家公園的建立密切相關.

4 結論

研究結果表明：①琿春市2006年和2017年的人均生態(tài)足跡分別為10.116 hm2/人和11.667 hm2/人，人均生態(tài)承載力分別為2.89 hm2/人和2.76 hm2/人，這表明琿春市的土地利用處于透支狀態(tài).②剔除化石能源用地生態(tài)足跡的影響后，琿春市2006年和2017年的生態(tài)壓力指數(shù)分別為1.23和0.63，表明琿春市的土地生態(tài)安全已由不安全轉變?yōu)檩^為安全，即土地生態(tài)安全呈好轉趨勢.本文研究結果可為琿春市今后的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護提供參考.本文在研究中未能考慮經(jīng)濟發(fā)展與科技進步對生態(tài)承載力的影響，以及缺少對研究區(qū)域空間變化的分析等，因此在今后的研究中我們將結合更多的影響因素和評價指標，以此建立更為完善的評價體系和評價方法.